基于IDE接口的电子硬盘设计(论文 CAD图纸全套).doc

基于IDE接口的电子硬盘设计 毕业设计（论文）院 系：XX学院姓 名：专 业：机械设计学 号：4200209320XXX指导教师：XX老师XX大学X学院2016年9月毕业设计（论文）任务书（应由学生本人按指导教师下达的任务认真誊写）姓名 专业 机械设计 指导教师 XXX 学号 4200209320194 入学时间 2014.09 网站（院系） 机械学院 一、课题名称二、课题内容三、课题任务要求四、同组设计者五、主要参考文献1 陈绍龙，刘怀平.从选粉浓度解读高效转子选粉机技术：文献，盐城：科行建材环保公司，20042 许林发.建筑材料机械设计（一）.武汉：武汉工业大学出版社，19903 潘孝良.硅酸盐工业机械过程及设备.武汉：武汉工业大学出版社，1993 4 叶达森.粉碎与制成.北京：中国建筑工业出版社，19925 汪谰.水泥工程师手册.北京：中国建筑工业出版社，1997.126 朱昆泉，许林发.建材机械工程手册.武汉：武汉工业大学出版社，2000.77 楮瑞卿.建材通用机械与设备.武汉：武汉工业大学出版社，1996.9 8 方景光.粉磨工艺及设备.武汉：武汉理工大学出版社，2002.8 9 刘景洲.水泥机械设备安装、修理及典型实例分析.武汉：武汉工业大学出版社，2002.1010 刘铁忠.TLS系列组合式选粉机的开发.水泥技术，1999（1）：1911 徐灏.机械设计手册.3.第2版.北京：机械工业出版社，2002.612 胡宗午，徐履冰，石来德.非标准机械设备设计手册.北京：机械工业出版社，2002.913 成大先.机械设计手册.2.第4版.北京：化学工业出版社，2002.114 成大先.机械设计手册.3.第4版.北京：化学工业出版社，2002.115 成大先.机械设计手册.4.第4版.北京：化学工业出版社，2002.116 数字化手册编委会.机械设计手册(软件版)R2.0.机械工业出版社，2003.117 陈秀宁、施高义.机械设计课程设计.浙江：浙江大学出版社，200218 武汉建筑材料工业学院等学校.建筑材料机械及设备.北京：中国建筑工业出版社，198019 徐锦康.机械设计.第2版.北京：机械工业出版社，200220 吴一善主编.粉碎学概论.武汉：武汉工业大学出版社，199321 沈世德.机械原理.北京：机械工业出版社，2002指导教师签字 教研室主任签字 年 月 日（此任务书装订时放在毕业设计报告第一页）目录第一章 绪论1第二章 闪速存储器简介22.1 闪速存储器的产生和发展22.2闪速存储器的主要技术类型22.3闪速存储器的结构和功能特点52.4 闪速存储器的工作模式72.5 闪速存储器在大容量存储器领域的应用7第三章 设计方案收集和选择93.1 设计思路93.2 方案1简介93.2 方案2简介132.3 方案比较和最终选择15第四章 设计步骤174.1 绘制设计原理图174.1.1 Orcad软件简介174.1.2 在Orcad中制作芯片封装174.1.3 放置元件及连线204.1.4 原理图CRC校验及检错214.1.5 创建网表234.2 绘制PCB板图234.2.1 PowerPCB软件简介234.2.2在PowerPCB中制作芯片封装244.2.3 导入原理图网表274.2.4 手动布线274.2.5 覆铜29第五章 作品调试及结论315.1 调试步骤315.2 结论325.3 对设计结果的分析和对作品改进方面的考虑32谢辞33参考文献34附录35第一章 绪论电子硬盘(IDE Flash Disk)是具备高效能，高稳定度的快速记忆体储存媒体元件，是时下效能成本比最优异的记忆体储存媒体解决方案。电子硬盘能提供原始的、高性能的和高可靠的数据储存，即使是在恶劣的条件下工作恶劣的温度、撞击、震动、干扰等，也不会对数据构成威胁。它克服了机械硬盘的弊病，广泛应用于工业控制、公共安全、电信、军工、航空等高可靠性的数据领域，且由于它体积小、存储空间灵活、费用低，也广泛地应用于民用领域。电子硬盘中使用的存储芯片是闪速存储器Flash Memory，它是一种最早由Intel公司于20世纪80年代初开发的具有优良电可擦除和可重复编程特性的新型存储器。虽然进入世界存储器市场仅仅几年，但它凭借着优良的特性已经逐渐开始取代传统的EPROM、DRAM和SRAM，占据了十分重要的市场份额。随着新技术、新工艺的不断发展，Flash Memory集成度不断提高，价格不断降低，这使得其在便携机上取代小容量硬盘已成为可能。本次设计的电子硬盘是一种由硬盘控制器（SST55LD019A）、供电电路（AME8800）、Flash Memory芯片（2*K9F5608U0B）和44pin标准IDE接口组成的固态盘。它的优点是结构简单、外形轻巧、功耗较低、抗震性好，可广泛应用于各种嵌入式系统（如PC及外设、电信交换机、仪器仪表和车载系统）、军用武器系统（雷达和导航系统）和各种新兴的通信设备（如手机、传真，网络适配器）中。本次设计的目的在于实现电子硬盘在台式机和便携式计算机中替代普通硬盘的功能，因此，该电子硬盘在接口方面选用了兼容便携式电脑主板的44pin标准ATA接口，并可以通过转接口与台式机主板实现兼容。第二章 闪速存储器简介2.1 闪速存储器的产生和发展闪速存储器又称快擦写型存储器、快闪存储器、闪烁存储器，是20世纪80年代末期Intel公司发明的一种具有高密度、低成本、非易失性等特点的读/写半导体存储器。它突破了传统的存储器体系，改善了现有存储器的特性，因而是一种全新的存储技术1。存储器的发展都具有更大、更小、更低的趋势，这在闪速存储器行业表现得尤为淋漓尽致。随着半导体制造工艺的发展，主流闪速存储器厂家采用0.18m，甚至0.15m的制造工艺。借助于先进工艺的优势，闪速存储器的容量可以更大：NOR技术将出现256Mb的器件，NAND和AND技术已经有1Gb的器件；同时芯片的封装尺寸更小：从最初DIP封装，到PSOP、SSOP、TSOP封装，再到BGA封装，闪速存储器已经变得非常纤细小巧；先进的工艺技术也决定了存储器的低电压的特性，从最初12V的编程电压，逐渐下降到5V、3.3V、2.7V、1.8V单电压供电。这符合国际上低功耗的潮流，更促进了便携式产品的发展2。另一方面，新技术、新工艺也推动闪速存储器的位成本大幅度下降：采用NOR技术的Intel公司的28F128J3价格为25美元，NAND技术和AND技术的闪速存储器将突破1MB 1美元的价位，使其具有了取代传统磁盘存储器的潜质。世界闪速存储器市场发展十分迅速，其规模接近DRAM（动态随机存取存储器）市场的1/4，与DRAM和SRAM（静态随机存取存储器）一起成为存储器市场的三大产品。闪速存储器的迅猛发展归因于资金和技术的投入，高性能低成本的新产品不断涌现，刺激了闪速存储器更广泛的应用，推动了行业的向前发展。 2.2闪速存储器的主要技术类型目前，世界各大存储器制造商在闪速存储器中主要采用的技术有NOR、AND、NAND和EEPROM派生等。1、 NOR技术NOR技术又可分为NOR和DINOR两种：NOR技术：NOR技术亦称为Linear技术。采用NOR技术的闪速存储器是最早出现的Flash Memory，目前仍是多数供应商支持的技术架构。它源于传统的EPROM器件，与其它Flash Memory技术相比，具有可靠性高、随机读取速度快的优势，在擦除和编程操作较少而直接执行代码的场合，尤其是纯代码存储的应用中广泛使用，如PC的BIOS固件、移动电话、硬盘驱动器的控制存储器等。NOR技术Flash Memory具有以下特点：（1） 程序和数据可存放在同一芯片上，拥有独立的数据总线和地址总线，能快速随机读取，允许系统直接从Flash中读取代码执行，而无需先将代码下载至RAM中再执行；（2） 可以单字节或单字编程，但不能单字节擦除，必须以块为单位或对整片执行擦除操作，在对存储器进行重新编程之前需要对块或整片进行预编程和擦除操作。由于NOR技术Flash Memory的擦除和编程速度较慢，而块尺寸又较大，因此擦除和编程操作所花费的时间很长，在纯数据存储和文件存储的应用中，NOR技术显得力不从心。不过，仍有支持者在以写入为主的应用，如CompactFlash卡中继续看好这种技术。Intel公司的StrataFlash家族中的最新成员28F128J3，是迄今为止采用NOR技术生产的存储容量最大的闪速存储器件，达到128Mb（位），对于要求程序和数据存储在同一芯片中的主流应用是一种较理想的选择。该芯片采用0.25m制造工艺，同时采用了支持高存储容量和低成本的MLC技术。所谓MLC技术（多级单元技术）是指通过向多晶硅浮栅极充电至不同的电平来对应不同的阈电压，代表不同的数据，在每个存储单元中设有4个阈电压(00/01/10/11），因此可以存储2b信息；而传统技术中，每个存储单元只有2个阈电压（0/1），只能存储1b信息。在相同的空间中提供双倍的存储容量，是以降低写性能为代价的。Intel通过采用称为VFM（虚拟小块文件管理器）的软件方法将大存储块视为小扇区来管理和操作，在一定程度上改善了写性能，使之也能应用于数据存储中。DINOR技术：DINOR(Divided bit-line NOR)技术是Mitsubishi与Hitachi公司发展的专利技术，从一定程度上改善了NOR技术在写性能上的不足。DINOR技术Flash Memory和NOR技术一样具有快速随机读取的功能，按字节随机编程的速度略低于NOR，而块擦除速度快于NOR。这是因为NOR技术Flash Memory编程时，存储单元内部电荷向晶体管阵列的浮栅极移动，电荷聚集，从而使电位从1变为0；擦除时，将浮栅极上聚集的电荷移开，使电位从0变为1。而DINOR技术Flash Memory在编程和擦除操作时电荷移动方向与前者相反。DINOR技术Flash Memory在执行擦除操作时无须对页进行预编程，且编程操作所需电压低于擦除操作所需电压，这与NOR技术相反。尽管DINOR技术具有针对NOR技术的优势，但由于自身技术和工艺等因素的限制，在当前闪速存储器市场中，它仍不具备与发展数十年，技术、工艺日趋成熟的NOR技术相抗衡的能力。目前DINOR技术Flash Memory的最大容量达到64Mb。Mitsubishi公司推出的DINOR技术器件M5M29GB/T320，采用Mitsubishi和Hitachi的专利BGO技术，将闪速存储器分为四个存储区，在向其中任何一个存储区进行编程或擦除操作的同时，可以对其它三个存储区中的一个进行读操作，用硬件方式实现了在读操作的同时进行编程和擦除操作，而无须外接EEPROM。由于有多条存取通道，因而提高了系统速度。该芯片采用0.25m制造工艺，不仅快速读取速度达到80ns，而且拥有先进的省电性能。在待机和自动省电模式下仅有0.33W功耗，当任何地址线或片使能信号200ns保持不变时，即进入自动省电模式。对于功耗有严格限制和有快速读取要求的应用，如数字蜂窝电话、汽车导航和全球定位系统、掌上电脑和顶置盒、便携式电脑、个人数字助理、无线通信等领域中可以一展身手。2、 NAND技术NAND技术又可分为NAND和UltraNAND两种：NAND技术：三星（Samsung）、东芝（TOSHIBA）和富士（Fujistu）支持NAND技术Flash Memory。这种结构的闪速存储器适合于纯数据存储和文件存储，主要作为SmartMedia卡、CompactFlash卡、PCMCIA ATA卡、固态盘的存储介质，并正成为闪速磁盘技术的核心。NAND技术Flash Memory具有以下特点：（1） 以页为单位进行读和编程操作，1页为256或512B（字节）；以块为单位进行擦除操作，1块为4K、8K或16KB。具有快编程和快擦除的功能，其块擦除时间是2ms；而NOR技术的块擦除时间达到几百ms。（2） 数据、地址采用同一总线，实现串行读取。随机读取速度慢且不能按字节随机编程。（3） 芯片尺寸小，引脚少，是位成本(bit cost)最低的固态存储器，将很快突破每兆字节1美元的价格限制。（4） 芯片包含有失效块，其数目最大可达到335块（取决于存储器密度）。失效块不会影响有效块的性能，但设计者需要将失效块在地址映射表中屏蔽起来。 Samsung公司在1999年底开发出世界上第一颗1Gb NAND技术闪速存储器。据称这种Flash Memory可以存储560张高分辨率的照片或32首CD质量的歌曲，将成为下一代便携式信息产品的理想媒介。Samsung采用了许多DRAM的工艺技术，包括首次采用0.15m的制造工艺来生产这颗Flash。已经批量生产的K9K1208UOM采用0.18m工艺，存储容量为512Mb3。UltraNANDAMD与Fujistu共同推出的UltraNAND技术，称之为先进的NAND闪速存储器技术。它与NAND标准兼容：拥有比NAND技术更高等级的可靠性；可用来存储代码，从而首次在代码存储的应用中体现出NAND技术的成本优势；它没有失效块，因此不用系统级的查错和校正功能，能更有效地利用存储器容量。与DINOR技术一样，尽管UltraNAND技术具有优势，但在当前的市场上仍以NAND技术为主流。UltraNAND家族的第一个成员是AM30LV0064，采用0.25m制造工艺，没有失效块，可在至少104次擦写周期中实现无差错操作，适用于要求高可靠性的场合，如电信和网络系统、个人数字助理、固态盘驱动器等。研制中的AM30LV0128容量达到128Mb，而AMD的计划UltraNAND技术Flash Memory将突破每兆字节1美元的价格限制，更显示出它对于NOR技术的价格优势。3、AND技术AND技术是日立（Hitachi）公司的专利技术。Hitachi和三菱（Mitsubishi）共同支持AND技术的Flash Memory。AND技术与NAND一样采用“大多数完好的存储器”概念，目前，在数据和文档存储领域中是另一种占重要地位的闪速存储技术。Hitachi和Mitsubishi公司采用0.18m的制造工艺，并结合MLC技术，生产出芯片尺寸更小、存储容量更大、功耗更低的512Mb-AND Flash Memory，再利用双密度封装技术DDP（Double Density Package Technology），将2片512Mb芯片叠加在1片TSOP48的封装内，形成一片1Gb芯片。HN29V51211T具有突出的低功耗特性，读电流为2mA，待机电流仅为1A，同时由于其内部存在与块大小一致的内部RAM 缓冲区，使得AND技术不像其他采用MLC的闪速存储器技术那样写入性能严重下降。Hitachi公司用该芯片制造128MB的MultiMedia卡和2MB的PC-ATA卡，用于智能电话、个人数字助理、掌上电脑、数字相机、便携式摄像机、便携式音乐播放机等4。4、由EEPROM派生的闪速存储器EEPROM具有很高的灵活性，可以单字节读写（不需要擦除，可直接改写数据），但存储密度小，单位成本高。部分制造商生产出另一类以EEPROM做闪速存储阵列的Flash Memory，如ATMEL、SST的小扇区结构闪速存储器（Small Sector Flash Memory）和ATMEL的海量存储器（Data-Flash Memory）。这类器件具有EEPROM与NOR技术Flash Memory二者折衷的性能特点：（1）读写的灵活性逊于EEPROM，不能直接改写数据。在编程之前需要先进行页擦除，但与NOR技术Flash Memory的块结构相比其页尺寸小，具有快速随机读取和快编程、快擦除的特点。（2）与EEPROM比较，具有明显的成本优势。（3）存储密度比EEPROM大，但比NOR技术Flash Memory小，如Small Sector Flash Memory的存储密度可达到4Mb，而32Mb的DataFlash Memory芯片有试用样品提供。正因为这类器件在性能上的灵活性和成本上的优势，使其在如今闪速存储器市场上仍占有一席之地。Small Sector Flash Memory采用并行数据总线和页结构（1页为128或256B），对页执行读写操作，因而既具有NOR技术快速随机读取的优势，又没有其编程和擦除功能的缺陷，适合代码存储和小容量的数据存储，广泛地用以替代EPROM。DataFlash Memory是ATMEL的专利产品，采用SPI串行接口，只能依次读取数据，但有利于降低成本、增加系统的可靠性、缩小封装尺寸。主存储区采取页结构。主存储区与串行接口之间有2个与页大小一致的SRAM数据缓冲区。特殊的结构决定它存在多条读写通道：既可直接从主存储区读取数据，又可通过缓冲区从主存储区读取或向主存储区写入数据，两个缓冲区之间可以相互读取或写入，主存储区还可借助缓冲区进行数据比较。适合于诸如答录机、寻呼机、数字相机等能接受串行接口和较慢读取速度的数据或文件存储应用。2.3闪速存储器的结构和功能特点闪速存储器是一类非易失性存储器NVM（Non-Volatile Memory），即在供电电源关闭后仍能保持片内信息；而诸如DRAM、SRAM这类易失性存储器，当供电电源关闭时片内信息随即丢失。闪速存储器集中了其它类非易失性存储器的特点：与 EPROM（电可编程只读存储器）相比较，闪速存储器具有明显的优势在系统中具有电可擦除和可重复编程的特性，而不需要特殊的高电压（某些第一代闪速存储器也要求高电压来完成擦除和/或编程操作）；与EEPROM相比较，闪速存储器具有成本低、密度大的特点5。闪速存储器的存储元电路是在CMOS单晶体管EPROM存储元的基础上制造的，因此集成度高且具有非易失性。所不同的是，EPROM借助紫外线擦除，而闪速存储器则实施了电擦除和重新编程能力，同时具有单一供电特性。由于其性能优于传统的EPROM，所以得到了快速发展。闪速存储器主要由存储体、地址缓冲器、译码器、命令用户接口（CUI）、状态标示寄存器、写状态WSM、复接器和数据输入/输出电路等逻辑电路构成。图2-1所示为闪速存储器的内部结构框图：控制信号命令用户接口（CUI）写状态WSM状态/标示寄存器输入/输出缓冲器复接器Y门存储体地址总线地 Y译码器址锁 X译码器存器 数据总线 . . . . .图2-1 闪速存储器的内部结构框图存储体用于存放信息。为方便应用，闪速存储器将存储体中的存储单元分为各种功能模块，各模块的大小不等，存储内容不同，操作时各自独立。各模块分别占据整个闪速存储器芯片寻址空间的一部分，各块可以定义为不同的操作模式，可以单独进行编程，而不影响其他模块中的数据信息，所以闪速存储器可以很方便地对数据实行块操作。地址缓冲器和译码器用于对地址总线上的地址编码进行译码，以便对芯片中的存储单元进行寻址访问。闪速存储器通常采用双译码。输入/输出电路位于数据线和存储单元之间，用于控制被选中的存储单元的读出或写入。命令用户接口（CUI）负责闪速存储器外部用户命令与其内部写状态机之间的接口，由写状态根据外部输入到闪速存储器中的命令来控制整个存储芯片的各项操作。写状态机控制模块的擦除和页面编程操作，通过写入到命令用户接口（CUI）中的命令来选择操作模式。写状态完成相应操作时，其状态反映在状态寄存器中。状态/标示寄存器提供芯片编程或擦除操作的各种状态信息7。2.4 闪速存储器的工作模式闪速存储器的工作模式有多种，大体上可以分为写操作模式、读操作模式、输出禁止操作模式、在线等待模式和关闭电源模式。读操作模式：闪速存储器具有3种读操作模式，分别针对存储阵列中数据信息的读取、状态寄存器的读取和标示码的读取等，不同的读操作对应不同的命令。读操作前需要将各种读命令预先写入命令用户接口（CUI）。在初始状态下，闪速存储器自动复位在读存储阵列模式。写操作模式：在一定的编程电压下，通过命令用户接口（CUI）实现存储体中各存储模块信息的擦除、编程及其他操作。在线等待模式：当片选信号处于某种状态（通常为高电平）时，芯片处于在线等待模式，该模式抑制了大部分电路，因而大大降低了器件的功耗，数据引脚也处于高阻状态。例如，在块擦除或块编程期间，如果原来被选中的存储块后来被取消，此时其内部控制电路仍然维持有功电流，芯片功耗降至在线等待状态，直至当前操作结束。输出禁止操作模式：芯片的输出允许控制端处于某种状态（通常为高电平）时，芯片被禁止输出，数据输出引脚置于高阻状态。关闭电源模式：关闭电源模式实际上是非工作状态。在这种状态中，芯片功耗最低，数据输入和输出引脚均处于高阻状态。闪速存储器一般有数据保护功能，可以对其中的数据进行保护。如果工作中发生掉电情况，通过对存储体中每个分块对应的锁定位的设置，可以决定能否对块中的数据进行修改。另外，大多数闪速存储器还有一个写保护引脚，该引脚有效时，可以将闪速存储器设为只读状态，禁止对锁定位对应的存储块进行任何修改8。2.5 闪速存储器在大容量存储器领域的应用在现阶段，闪速存储器除了取代EPROM和EEPROM来存放主板和显卡的BIOS（基本输入/输出系统）外，还广泛应用于便携式计算机的PC卡存储器（固态硬盘）。闪速存储器芯片耗电低、集成度高、体积小、可靠性高，且读取速度大大高于硬盘驱动器，加之没有机电移动装置，抗震性能好，非常适合便携机之类的微型计算机系统，成为替代磁盘的一种理想工具，近年来在USB等接口的电子盘和数码相机中得到了非常广泛的应用。闪速存储器直接与CPU相连，由于省去了从磁盘到RAM的加载过程，工作速度仅仅取决于闪速存储器的存取时间，使CPU实现了无等待时间，用户得以充分享受程序和数据的高速存取。另外，闪速存储器是一种高密度的廉价存储器，1M位闪速存储器的单位成本比SRAM低一半以上，16M位的单位成本更低。相同存储器容量的闪速存储器和DRAM相比，位成本基本接近，但闪速存储器不需要后援存储器（磁盘）的额外开销和空间9。由于闪速存储器可用作固态大容量存储器，且它与普通硬盘相比，可靠性及耐用性好，抗冲击、抗振动能力强，功耗低。因此，随着闪速存储器集成度不断提高，价格不断降低，使其在便携机上取代小容量硬盘已成为可能10。目前研制的闪速存储器都符合PCMCIA标准，可以十分方便地用于各种便携式计算机中以取代磁盘。以车载系统为例：作为车载系统信息集成的硬件平台GPS车载导航仪需要快速读取硬盘中的地理信息数据、查询路网数据库和执行路径选优算法等。大容量存储器因为要与CPU进行频繁的通信、进行高速协调工作，它的可靠程度直接决定了导航仪的可靠性。采用磁原理的普通PC机硬盘，抗振动能力差、易于损坏，不适于车载。因此，大容量的采用闪速存储器的电子硬盘是一个比较理想的选择11。目前，闪速存储器已经成为制作电子硬盘的主流介质，如果是制作容量在2MB以下的电子硬盘可以选用27/28/29系列的芯片，单片容量在512KB，成本只有几十元，若需要更大容量，就必需采用高密度Flash，也就是NAND型的Flash。这种Flash起点价格较高，但起点容量更高，最小的4MB、8MB已经停产，一般是16MB（相当于128Mbit）起步，所以每MB的价格相对而言比较划算。随着PC机技术的进步，老式的ISA插槽越来越少，即将淘汰，所以ISA插卡的产品继续做成插卡式的话必须向PCI转型12。在这一形势下，采用IDE接口的电子硬盘应运而生，可以说IDE接口的电子硬盘更接近普通硬盘，ISA卡式电子硬盘主要有Flash和逻辑电路组成，只是将Flash映射到PC机内存区，例如0xd800，开一个窗口实现读写，驱动程序是ROMBIOS的扩展。IDE接口的电子硬盘除了使用Flash外，还有专门提供IDE接口的CPU和为提高访问速度而设置的Cache，所以有更好的性能表现，安装IDE接口的电子硬盘和普通硬盘完全相同。IDE接口电子硬盘从安装方式而言可以分两种，一种是模块结构，体积小巧，另一种外观与普通硬盘一样的。模块结构比较便宜，普通硬盘结构价格稍贵，一般工程客户应该选用模块结构的以降低成本。IDE接口的电子硬盘由于容量较大，与硬盘直接互换，也就是说与操作系统无关，故非常适合用于信息家电场合，装载Windows核心程序、Linux系统及相应的应用程序诸如浏览器、电子邮件程序等等，此外还有工业控制、嵌入式系统等专门领域用到的多种操作系统，只要能用普通硬盘的地方，IDE接口的电子硬盘都能胜任，这些系统举例如下：Linux, QNX, Informer, Lineo and Linux Based OS,PSOS, VxWorks, iRMX, Super Task ,Windows NT, Embedded NT, Win95/98/2000, Win CE, DOS 5.0/6.22等等13。第三章 设计方案收集和选择3.1 设计思路本次设计的电子硬盘，主要应由供电电路、硬盘控制器、闪速存储器芯片组成，接口采用题目要求的IDE接口。供电电路是电子硬盘的动力来源，它把主机通过IDE接口输入的+5v电压转换为各块芯片所需的工作电压，电子硬盘的稳定首先来自电源输入的稳定，因此供电电路的设计是整个电路设计中十分重要的一环。硬盘控制器作为主机和闪速存储器的传输纽带，通过总线与IDE接口和闪速存储器实现数据传递，通过各种控制信号控制对闪速存储器存储区域的读写操作。同时，硬盘控制器可以接受来自主机的控制信号，并通过该信号改变电子硬盘的工作方式。闪速存储器作为电子硬盘的存储介质，主要功能在于长期、稳定和安全地保证数据的储存。经过大量网络和文献资料的搜集和整理工作，我最后挑选出两个比较合适的方案。我将在下面的叙述中对这两个方案做出具体的分析和比较，以确定最终的设计方案。3.2 方案1简介方案1包括硬盘控制器MX9691L，程序存储器MX28F2100T，数据总线驱动器74F245（2片），控制总线驱动器74F244，闪速存储器芯片K9F5608U0B（32M*8bit，2片），44pin 标准IDE接口。 硬盘控制器采用的是旺宏公司生产的电子硬盘专用控制器MX9691L，为128脚LQFP封装，具有宽工作电压范围3.35V，可提供标准的PCMCIA和IDE接口。它的内部包括MX93011的DSP内核 21MIPS、1KB的缓冲数据区、PCMCIA/ATA接口、Flash存储器接口和时钟、复位电路等。采用MX9691作为Flash硬盘的驱动控制器有很多优点。MX9691为旺宏公司生产的专用硬盘驱动控制芯片，优化功能强大，没有冗余模块且封装紧凑，便于进一步小型化和降低功耗。MX9691支持PIO Mode-4、Multi-word DMA Mode-2两种最新的传输模式,与三星公司的Flash存储芯片兼容性好，不需再增加其它电路，因此可靠性高。旺宏公司对MX9691有强大的软件支持，很多固件可以直接购买。因为MX9691支持在线编程，升级和维护非常简单。另外，MX9691为低功耗设计，它有3种节电模式：Idle、Standby和Sleep。MX9691可以通过查询自己的工作状态，自动进入相应的节电模式，因此功耗很低14。MX9691L的功能框图如图3-1所示：图3-1 MX9691L的功能框图Flash 芯片采用的是三星公司生产的K9F5608U0B。它是48脚表面封装器件，采用TSOP-48封装，内部具有(32M+1024K)8bit的存储空间，共32768行，528列，其中后备的16列位于512列到527列。它内部有一个528字节的数据寄存器，可以用于页读、页编程操作时数据的存储转换。它可以进行528字节为一页的页读和写操作，并可以进行以16K为一块的块擦除操作。K9F5608U0B的突出优点在于：命令、地址和数据信息均通过8条I/O线传输，寻址单元的地址线不作为芯片的引出脚，24位地址分三次写入地址锁存器，译码后找到相应的单元15。Flash硬盘工作原理框图如图3-2所示，硬盘控制器MX9691是CPU与Flash存储器进行数据交换的控制通道。数据交换不仅可以采用程序控制方式和中断控制方式，还可以采用直接存储器存取方式(DMA)。在DMA方式下，MX9691内部的DMA控制器利用数据缓冲区可以与IDE适配器直接进行数据高速交换。因为采用周期窃取技术(cycle stealing) 使得数据传送工作对系统总线具有较高的使用权。因为采用高速的MX93011 DSP内核(21Mips)，进行主机到缓冲区的突发数据传送时速率可以达到20MB/s。同时，MX9691还支持PIO模式4(16.6MB/s)和DMA模式2(16.6MB/s)。IDE接口控制器 IOW IOR REG HA0 HA1标准IDE接口复位电路IOW# A0A7IOR#REG#HA0#HA1# A8A15MX9691L FCE# RDFLASH# WRFLASH#ROMWR# FALE#RD# FCLE#ROMCS 复位电路CS 程序存储器RD MX28F2100TWR数据总线驱动器74F245数据总线驱动器74F245控制总线驱动器74F244D0D7D8D15K9F5608U0BCERDWRALECLE DB1 DB1 CE1 DB DB2 CB DB2 DB CE2 DMA控制 2片 DB AB CB图3-2 Flash硬盘工作原理框图硬盘控制器在与Flash存储器进行数据通信操作时，数据已被放入内存中，MX9691首先把内存中的数据读入内部高速缓存中，然后通过识别接收的指令类型和查询FAT得到要寻址的Flash存储器的编号。在对Flash存储器进行写操作前，先把要写入的信息依次放到数据总线上，经过TW的时间，待数据(包括指令、地址和数据)稳定后，通过对要寻址的Flash存储器编号的解码，从端口601FH输出FCE片选信号选中相应的Flash芯片。在WR和WRFLASH同时有效时，数据被写入相应的Flash存储单元中。读操作与此类似。MX9691L的读操作时序和写操作时序分别如图3-3和图3-4所示：图3-3 MX9691L的读操作时序图3-4 MX9691L的写操作时序MX28F2100T为程序存贮器，它通过标准ATA接口经编译的可执行文件可以对它直接在线编程。74F245和74F244为总线驱动器，在所选Flash存储器较多时可以提高总线驱动能力。考虑到电子硬盘应用的广泛性，在接口方面选择了44pin标准ATA接口。44pinIDE接口定义完全与便携式计算机硬盘相同，也可以通过转接口转为40pin数据口和4pin电源口，实现与台式机主板兼容。44pin标准IDE接口定义如表3-1所示：表3-1 44pin标准IDE接口定义引脚号信号名称及描述引脚号信号名称及描述1RST#2GND3DATA74DATA85DATA66DATA97DATA58DATA109DATA410DATA1111DATA312DATA1213DATA214DATA1315DATA116DATA1417DATA018DATA1519GND20KEY-PIN21IDE$PDREQ22GND23IDE$PIOWR*24GND25IDE$PIORR*26GND27IDE$PIORDYR28PLL-Vcc29IDE$PDACK*30GND31ISA$IRQ1432PLL-Vcc33IDE$A134NC35IDE$A036IDE$A237IDE$CS0*38IDE$CS1*39-HD_LED140GND41Vcc42Vcc43GND44GND3.2 方案2简介方案2包括硬盘控制器SST55LD019A，闪速存储器芯片K9F5608U0B（32M*8bit，2片），供电部分300mA CMOS 线性稳压器AME8800，44pin标准IDE接口。硬盘控制器使用的是SST公司生产的SST55LD019A，它使用100pin的TQFP封装，具有低功耗（工作电压3.3v-5v）、主机读取速度快（最快可达10M/s）、稳定性好（可在-4085的工业环境下稳定运行）、兼容性好（支持PIO Mode-4、Multi-word DMA Mode-2两种最新的传输模式，兼容标准NAND型Flash Memory）等优点。SST55LD019A主要包括微处理器单元（MCU）、内部直接存储器接入（DMA）、电源管理单元（PMU）、SRAM缓冲器、嵌入式闪存文件系统、纠错编码（ECC）、串行通信接口（SCI）和多任务接口。 微处理器单元（MCU）：微处理器单元把ATA/IDE信号转换成闪存芯片所需的数据和控制信号。 内部直接存储器接入（DMA）：ATA闪存盘控制器使用内部DMA允许常用数据从缓冲区转移到闪存芯片。这种执行方式可以减少微处理器使用传统的、基于固件的连接方式，从而增加了数据转移的速率。 电源管理单元（PMU）：电源管理单元控制ATA闪存盘控制器的电源消耗，它通过使没有工作的电路部分进入休眠状态，极大地降低了闪存盘控制器的电源消耗。 SRAM缓冲器对ATA闪存盘控制器的正常运行发挥了重大作用，它优化了主机和闪存芯片之间的数据转移。 嵌入式闪存文件系统是ATA闪存盘控制器的一个集成部分。它包括了实现以下操作的MCU固件：a 转换主机信号以便对闪存芯片进行读写。b 通过把对闪存芯片的写入扩展到所有未被使用的地址空间，从而极大地降低了闪存芯片的损耗程度并增加芯片的使用寿命。c 维护数据文件的结构路径。d 管理被选择的保护区域的系统安全性。 纠错编码（ECC）：ATA闪存盘控制器利用72bit的Reed-Solomon错误检测码纠错编码，这两种编码提供了每个512字节数据块对以下错误的免疫性：a3个随机12bit的符号错误（可修正）。b25bit的单突变码错误（可修正）。c61bit的单突变码错误和15bit的双突变码错误（可检测）。d6个随机12bit的符号错误（可检测）。 串行通信接口（SCI）：串行通信接口被设计为使用户能够重新启动初始化过程和定制驱动识别信息。 多任务接口：多任务接口通过允许并发读取、编程和擦除操作来成倍增加闪存设备，实现快速、持续的写入操作16。SST55LD019A的功能结构框图如图3-5所示：图3-5 SST55LD019A的功能结构框图 由于三星公司生产的闪速存储器芯片对ATA闪存盘控制器有着良好的兼容性，因此，方案2中的闪速存储器芯片同样采用了2片三星公司的K9F5608U0B，构成64M的容量。方案2特别地把整个电路的供电部分作为重点，采用了AME公司生产的AME8800。AME8800是一种CMOS线性稳压器（LDO），它采用SOT23封装，主要优点有：很低的压降，误差精确到1.5%以内的稳定300mA电流输出，自动过温保护和过流保护，可在出厂时预置输出电压等（本次设计使用的AME8800输出电压在出厂时被设为3.3v）17。AME8800的典型应用电路图如图3-6所示：图3-6 AME8800的典型应用电路图 同样考虑到和便携式电脑和台式机主板兼容性的原因，方案2中同样采用了44pin标准IDE接口。2.3 方案比较和最终选择对比方案1和方案2，主要的区别在于硬盘控制器和供电部分的选择。1、 硬盘控制器的比较：由图3-1和图3-5，我们可以列出以下表格：表3-2 MX9691L和SST55LD019A的功能结构对比功能模块MX9691LSST55LD019A微控制器单元MX93011 DSP COREMCUPCMCIA/ATA接口（并行）支持支持SCI接口（串行）不支持支持SRAM缓冲器有有内部DMA（内部直接存储器访问）不支持支持内部ECC（纠错编码）有有内部电源管理无PMU多任务接口（支持多片闪存芯片）支持支持嵌入式Flash文件系统无有内部时钟源和复位电路有有从表3-2可以看出，SST55LD019A和MX9691L相比，主要有以下优点：a、提供了对串行通信方式的支持。b、内部提供了嵌入式Flash文件系统，可以省去外接程序存储器的麻烦。c、通过对内部DMA的支持大大提高了数据转移的速率。d、出色的内部电源管理也能够通过休眠不工作的模块来降低电路的功耗。因此，相对而言，以SST55LD019A作为硬盘控制器较为合适。2、供电部分的比较：方案1中并没有采用专门的供电电路，而是直接从44pin标准IDE接口的41和42脚输入+5v电压，直接供给硬盘控制器和闪存芯片，虽然+5v输入电压仍在芯片的可靠工作范围之内，但是仅仅依靠芯片外围的几个模拟元件无法保证稳定的电压和电流输出，当输入电流或工作电压超过电路负荷时也无法采取必要的安全措施来保护电路。而方案2中采用了专门的供电用芯片CMOS线性稳压器AME8800，可以既保证较低的压降又能精确地保证300mA的稳定电流输出，同时它自带的过流保护和过温保护功能也能在突发情况下自动切断电源，保护电路的安全。因此，从电路稳定供电和安全的角度看，方案2是比较合适的。除了以上两个主要区别外，由于方案1中还额外采用了一片程序存储器，两片总线驱动器和一片总线控制器，使得电路的结构过于复杂，功耗也较高，因此，从电路的复杂性和整体功耗角度看，方案2也是比较合适的。综合以上几点，最后我选择了方案2作为本次毕业设计的最终方案。第四章 设计步骤4.1 绘制设计原理图4.1.1 Orcad软件简介Orcad是著名的电气设计类软件开发商Cadence公司出品OrCAD Suite With PSpice V10.5中的一个组件，它可以让PCB的设计进入更细节阶段。与PSpice结合可应用于在Allegro平台上。此套软件为一完整涵盖前端至后端、使用微软Windows平台的流程，可以供印刷电路板(PCB) 设计师透过工具整合与程式自动化改善生产力和缩短进入市场的时间。 Orcad Unison Suite 整合了四种新近加强型的产品，在单一套装软体当中即可提供设计师所需的所有工具：供设计输入的Orcad CaptureR；供类比与混合讯号模拟用的PSpiceR A/D Basics；供电路板设计的 Orcad LayoutR以及供高密度电路板自动绕线的SPECCTRAR 4U。在本次设计中，我采用了Orcad CaptureR进行原理图的绘制，它的优点在于具有快捷、通用的设计输入能力，使OrCAD Capture原理图输入系统成为全球范围内广受欢迎 的设计输入工具。它针对设计一个新的模拟电路、修改现有的一个PCB的原理图，或者绘制一个HDL模块的方框图，都提供了你所需要的全部功能，并且可以迅速地验证你的设计。OrCAD Capture作为设计输入工具，它运行在PC平台，用于FPGA、PCB和PSpice设计应用中。它是业界第一个真正基于Windows环境的原理图输入程序。Capture易于使用的功能和特点使其已经成为了原理图输入的工业标准。4.1.2 在Orcad中制作芯片封装Orcad软件本身带有一个比较完整的元件库，包括了常用的数字和模拟元件。如果元件库中含有设计所需的元件，则可以在绘制原理图时直接调用，但本次设计所需的元件并没有被包括在元件库中，因此，在绘制原理图之前，必须制作所需元件的封装，具体步骤如下：首先，在OrCAD的菜单栏中，选择文件（File）新建（New）元件库（Library）,在主界面上出现一个分支结构，在C:/Library1.olb上单击右键，选择新建元件（New Part），如图4-1所示。选择新建元件后，在弹出的对话框中可以设置元件名、元件封装类型和元件管脚数字的排列顺序，如图4-2所示。设置完元件的以上信息，就可以点击确定（OK）进入元件封装的制作了，OrCAD提供了制作芯片封装设计的工具栏，使用这些工具可以很方便地进行元件管脚的绘制、总线的绘制等工作。图4-1 在元件库中新建元件图4-2 自定义元件信息设置使用以上工具制作的各元件封装如下所示： SST55LD019A：图4-3 SST55LD019A的封装图 K9F5608U0B：图4-4 K9F5608U0B的元件封装 44pin标准IDE接口：图4-5 44pin标准IDE接口的封装 AME8800的元件封装：图4-6 AME8800的元件封装4.1.3 放置元件及连线制作好元件封装后，接下来就可以进行原理图的绘制了。首先，回到Orcad的主界面，选择文件（File）新建（New）设计（Design），进入原理图绘制界面。Orcad同样为原理图绘制设计了专用的工具栏，与制作元件封装时使用的工具栏不同的是额外增加了许多新的工具，使原理图更加完整和直观。使用绘图工具栏上的各种工具，就可以很方便地放置已经做好封装的元件，连接元件间需要连接的管脚，命名输入输出网络，绘制好的原理图缩略图如图4-7所示（完整电路图详见附图1）：图4-7 设计原理图缩略图4.1.4 原理图CRC校验及检错 原理图绘制完毕后，应当仔细检查各管脚的连接是否正确，可以通过校对芯片的DATA SHEET进行检查，也可以通过Orcad软件自带的原理图DRC工具进行校验：在Orcad的主界面下，打开原理图，可以出现最初的分支结构，在design3.dsn目录下的SCHEMATIC1文件夹下，用鼠标左键单击PAGE1，可以看到工具栏上DRC（Design Rules Check）工具的图标由不可选的灰色变成可选的彩色，点击DRC工具，就会弹出一个对话框，如图4-8所示，在对话框中可以设置需要检查的内容（一般保持默认选项），即检查如下几项： 检查管脚和管脚连接。 检查电路连接线。 检查未连接的网络。 检查无效的元件信息。 检查重复的信息。点击确定，开始校验。图4-8 原理图DRC校验若DRC校验中检查出现问题，则会首先弹出警告，通知用户原理图中可能含有一个或多个错误，然后在自动生成的SESSION.LOG文件下记录检测结果，并在 具体检测项目的下方给出发现的错误，并且给出错误点所在的坐标位置，通过坐标定位，可以很方便地找到问题的出处并查明原因，加以改正。修正所有错误后，再次进行DRC校验时，就不会有警告弹出，在SESSION.LOG文件中各个检测项目下的内容也会为空，如图4-9所示：图4-9 表示DRC校验通过的SESSION.LOG文件4.1.5 创建网表 原理图绘制完毕并通过DRC校验无误后，就可以导入到Pads PowerPCB中进行